高斯分布的四阶矩

高斯分布的四阶矩

零均值高斯分布随机变量 X ∼ N ( 0 , σ 2 ) X\sim \mathcal{N}\left(0, \sigma^2\right) XN(0,σ2) 的四阶原点矩为
E [ X 4 ] = 3 σ 4 。 \mathbf{E}\left[X^4\right]=3\sigma^4。 E[X4]=3σ4
证明:
X 4 X^4 X4 的期望的计算公式为
E [ X 4 ] = ∫ − ∞ ∞ x 4 1 2 π σ exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) d x = 1 2 π σ ∫ − ∞ ∞ x 4 exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) d x 。 \mathbf{E}\left[X^4\right] = \int_{-\infin}^{\infin}x^4\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}\exp\left(-\frac{x^2}{2\sigma^2}\right)\mathrm{d}x\text=\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}\int_{-\infin}^{\infin}x^4\exp\left(-\frac{x^2}{2\sigma^2}\right)\mathrm{d}x\text{。} E[X4]=x42π σ1exp(2σ2x2)dx=2π σ1x4exp(2σ2x2)dx
根据分部积分公式
∫ u ( x ) v ′ ( x ) d x = u ( x ) v ( x ) − ∫ v ( x ) u ′ ( x ) d x , \int u\left(x\right)v'\left(x\right)\mathrm{d}x = u\left(x\right)v\left(x\right)-\int v\left(x\right)u'\left(x\right)\mathrm{d}x, u(x)v(x)dx=u(x)v(x)v(x)u(x)dx
可以得到
∫ − ∞ ∞ x 4 exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) d x = ∫ − ∞ ∞ x 4 ( − σ 2 x ) ( − x σ 2 ) exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) d x = − σ 2 ∫ − ∞ ∞ x 3 d ( exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) ) = − σ 2 ( x 3 exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) ∣ − ∞ ∞ − ∫ − ∞ ∞ 3 x 2 exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) d x ) = 3 σ 2 ∫ − ∞ ∞ x 2 exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) d x , \begin{aligned} \int_{-\infin}^{\infin}x^4\exp\left(-\frac{x^2}{2\sigma^2}\right)\mathrm{d}x =& \int_{-\infin}^{\infin}x^4\left(-\frac{\sigma^2}{x}\right)\left(-\frac{x}{\sigma^2}\right)\exp\left(-\frac{x^2}{2\sigma^2}\right)\mathrm{d}x\\ =& -\sigma^2\int_{-\infin}^{\infin} x^3 \mathrm{d}\left(\exp\left(-\frac{x^2}{2\sigma^2}\right)\right) \\ =& \left. -\sigma^2\left( x^3\exp\left(-\frac{x^2}{2\sigma^2}\right) \right|_{-\infin}^{\infin} -\int_{-\infin}^{\infin}3x^2\exp\left(-\frac{x^2}{2\sigma^2}\right)\mathrm{d}x \right) \\ =& 3\sigma^2\int_{-\infin}^{\infin}x^2\exp\left(-\frac{x^2}{2\sigma^2}\right)\mathrm{d}x, \end{aligned} x4exp(2σ2x2)dx====x4(xσ2)(σ2x)exp(2σ2x2)dxσ2x3d(exp(2σ2x2))σ2(x3exp(2σ2x2)3x2exp(2σ2x2)dx)3σ2x2exp(2σ2x2)dx
其中最后一步,对于第一项,有
x 3 exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) ∣ − ∞ + ∞ = lim ⁡ x → + ∞ x 3 exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) − lim ⁡ x → − ∞ x 3 exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) \left.x^3\exp\left(-\frac{x^2}{2\sigma^2}\right)\right|_{-\infin}^{+\infin}=\lim_{x \to +\infty}\frac{x^3}{\exp\left(-\dfrac{x^2}{2\sigma^2}\right)} -\lim_{x \to -\infty}\frac{x^3}{\exp\left(-\dfrac{x^2}{2\sigma^2}\right)} x3exp(2σ2x2)+=x+limexp(2σ2x2)x3xlimexp(2σ2x2)x3
再以上式第一项为例,利用洛必达法则,
lim ⁡ x → + ∞ x 3 exp ⁡ ( x 2 2 σ 2 ) = lim ⁡ x → + ∞ 3 x 2 2 x 2 σ 2 exp ⁡ ( x 2 2 σ 2 ) = lim ⁡ x → + ∞ 3 σ 2 x exp ⁡ ( x 2 2 σ 2 ) = lim ⁡ x → + ∞ 3 σ 2 2 x 2 σ 2 exp ⁡ ( x 2 2 σ 2 ) = 0 \begin{aligned}\lim_{x \to +\infty}\frac{x^3}{\exp\left(\dfrac{x^2}{2\sigma^2}\right)} =& \lim_{x \to +\infty}\frac{3x^2}{\dfrac{2x}{2\sigma^2}\exp\left(\dfrac{x^2}{2\sigma^2}\right)} =\lim_{x \to + \infty}\frac{3\sigma^2x}{\exp\left(\dfrac{x^2}{2\sigma^2}\right)}\\ =&\lim_{x\to+\infty}\frac{3\sigma^2}{\dfrac{2x}{2\sigma^2}\exp\left(\dfrac{x^2}{2\sigma^2}\right)}=0 \end{aligned} x+limexp(2σ2x2)x3==x+lim2σ22xexp(2σ2x2)3x2=x+limexp(2σ2x2)3σ2xx+lim2σ22xexp(2σ2x2)3σ2=0
同理可得
x 3 exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) ∣ − ∞ + ∞ = 0 \left.x^3\exp\left(-\frac{x^2}{2\sigma^2}\right)\right|_{-\infin}^{+\infin}=0 x3exp(2σ2x2)+=0
又有
∫ − ∞ ∞ x 2 1 2 π σ exp ⁡ ( − x 2 2 σ 2 ) d x = E [ X 2 ] = σ 2 , \int_{-\infin}^{\infin}x^2\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}\exp\left(-\frac{x^2}{2\sigma^2}\right)\mathrm{d}x=\mathbf{E}\left[X^2\right]=\sigma^2, x22π σ1exp(2σ2x2)dx=E[X2]=σ2
因此可以得到
E [ X 4 ] = 3 σ 4 。 \mathbf{E}\left[X^4\right]=3\sigma^4。 E[X4]=3σ4

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